Commonwealth Fusion: طرح راکتور همجوشی 400 مگاواتی و چالش‌های پیش رو

اصول اساسی راکتور ARC

راکتور ARC یک توکاماک خواهد بود که فرآیند همجوشی بین دو ایزوتوپ سنگین هیدروژن، دوتریوم و تریتیوم را میزبانی می‌کند. این واکنش منجر به تولید هسته هلیوم، آزاد شدن نوترون و تابش می‌شود. هلیوم گرما را به پلاسما منتقل کرده و شرایط لازم برای همجوشی را حفظ می‌کند، در حالی که نوترون و تابش مورد استفاده قرار می‌گیرند.

• تولید برق: انرژی حاصل از نوترون‌ها به یک لایه نمک مذاب منتقل می‌شود که شامل یون‌های لیتیوم است. این گرما برای به حرکت درآوردن توربین و تولید برق استفاده خواهد شد.
• تولید سوخت: جذب نوترون توسط ایزوتوپ لیتیوم، تریتیوم بیشتری تولید می‌کند که می‌تواند به عنوان سوخت راکتور مورد استفاده قرار گیرد.
• خروجی پیش‌بینی‌شده: طراحی فعلی ARC پیش‌بینی می‌کند که حدود 1.13 گیگاوات (GW) قدرت همجوشی تولید شود که 500 مگاوات (MW) آن به برق تبدیل می‌گردد. پس از مصرف 100 مگاوات برای عملیات نیروگاه، 400 مگاوات برق خالص به شبکه ارسال خواهد شد.

این اعداد با عدم قطعیت‌هایی همراه هستند و خروجی نهایی می‌تواند بین 900 مگاوات تا 1.3 گیگاوات متغیر باشد. واکنش‌های هسته‌ای در دوره‌های 15 دقیقه‌ای انجام می‌شوند که با یک دقیقه توقف برای بازنشانی همراه هستند. این توقف‌ها به اندازه‌ای کوتاه طراحی شده‌اند که سیستم قبل از گرم شدن مجدد، فرصت خنک شدن کامل را نداشته باشد و اینرسی حرارتی به تولید مداوم برق کمک کند.

چالش‌های پایداری و نگهداری

دو چالش بزرگ در عملیات ARC، مسائل دیرینه در همجوشی هستند: کنترل ناپایداری‌های مغناطیسی و مدیریت خاکستر هلیوم و مواد فرار از محفظه مغناطیسی.

ناپایداری‌های مغناطیسی

ناپایداری‌های مغناطیسی می‌توانند منجر به از دست دادن سریع کنترل پلاسما شوند که ذرات پرانرژی را به دیواره‌های راکتور پرتاب می‌کند. دیواره‌های داخلی راکتور با تنگستن محافظت می‌شوند تا آسیب را محدود کنند، اما فرسایش اجتناب‌ناپذیر است. تیم Commonwealth قصد دارد تا حد امکان از ناپایداری‌ها جلوگیری کند، اما در صورت وقوع، سیستم را به سرعت خاموش کرده و مجدداً راه‌اندازی می‌کند تا از خنک شدن قابل توجه سیستم استخراج حرارت جلوگیری شود.

مدیریت خاکستر هلیوم

برای حداکثر کردن خروجی همجوشی ARC و جلوگیری از فرسایش بیش از حد اجزای رو به پلاسما، نیاز به دفع تابشی بیشتر انرژی از طریق تزریق ناخالصی‌های تابش‌زا مانند آرگون یا نئون است. مدل‌های کنونی پیش‌بینی می‌کنند که سیستم فشار کافی را برای دفع خاکستر هلیوم حفظ خواهد کرد، اما این پیش‌بینی نیاز به آزمایش تجربی دارد.

ریسک دیگر، الکترون‌های فراری هستند که به سرعت‌های نسبیتی می‌رسند و می‌توانند به دیواره‌های محفظه واکنش برخورد کنند. این مشکل ممکن است با یک سیم دقیقاً قرار گرفته در داخل راکتور که الکترون‌ها را به جریان قابل استخراج تبدیل می‌کند، حل شود. اما این سیستم تنها در صورتی نصب خواهد شد که SPARC نشان دهد این یک مشکل قابل توجه است.

فیزیک در برابر اقتصاد

با وجود پیشرفت‌های فیزیکی، چالش‌های مالی و عملیاتی بزرگی در پیش روی ARC قرار دارد. براندون سوربوم، مدیر ارشد علمی Commonwealth، اظهار داشته که «هنگامی که نیروگاه همجوشی ARC را بسازیم، کار خواهد کرد.» بر اساس بهترین مدل‌ها و داده‌های واقعی از توکاماک‌های متعدد، ARC باید بتواند به طور منظم واکنش‌های همجوشی را آغاز کند که انرژی بیشتری نسبت به ورودی تولید می‌کنند.

اما «کار کردن» از دیدگاه فیزیک با «کار کردن» از دیدگاه بازار متفاوت است. برای موفقیت تجاری، همجوشی باید برای دوره‌های 15 دقیقه‌ای پایدار باشد و ناپایداری‌های بسیار کمی در طول روز داشته باشد تا همه چیز به اندازه کافی گرم بماند. همچنین، فعالیت‌های خدماتی مانند تعویض محفظه خلاء باید به سرعت انجام شود تا نیروگاه برای مدت طولانی از دسترس خارج نشود.

علاوه بر این، هزینه‌های اولیه بالای سخت‌افزار پیچیده و زیرساخت‌های پشتیبانی، و همچنین نیاز به پرسنل بسیار متخصص برای اداره چنین تاسیساتی، از جمله مسائل مالی هستند. یکی از نقاط قوت اصلی این فناوری، تامین انرژی 24 ساعته بدون نیاز به سیستم ذخیره‌سازی جداگانه است، اما در حال حاضر، اپراتورهای شبکه انگیزه مالی زیادی برای چنین قابلیت اطمینانی ارائه نمی‌دهند. بنابراین، Commonwealth در بخش‌هایی از روز با اشکال بسیار ارزان‌تر تولید برق رقابت خواهد کرد.

در نهایت، ARC ممکن است از دیدگاه فیزیکی موفق باشد، اما در صورت عدم موفقیت در جنبه‌های مالی و عملیاتی، ممکن است در بلندمدت با شکست مواجه شود. سوربوم می‌گوید که شرکت آن‌ها با در نظر گرفتن طیف وسیعی از فرضیات، محاسبات لازم را انجام داده و به این نتیجه رسیده که ARC منطقی است، اما حل و فصل مسائل مالی سخت‌ترین ریسک خواهد بود و ممکن است ده‌ها سال طول بکشد تا پاسخ قطعی در این زمینه به دست آید.